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Projekt:

Hochtemperaturfiltration

Entwicklung einer apparativen Lösung für Hochtemperaturfiltration in Wirbelschichten
 

Ziele

Die Entstehung von feinsten Partikeln in Wirbelschichten stellt sowohl im Sinne des Umweltschutzes als auch für die Prozesssicherheit und –stabilität ein Problem dar. So kann es durch Anhäufung/Ansammlung von Stäuben in Rohrleitungen, Armaturen, Gebläsen und Apparaten zur Strömungseinschränkung und damit zu eingeschränkter Funktionsfähigkeit kommen. Stäube können an den Werkstoffoberflächen der oben genannten durch- und umströmten Anlagenkomponenten zu abrasivem Verschleiß führen. Darüber hinaus besteht bei Staubansammlungen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre die Gefahr der Entzündung und der Explosion in der Anlage. Eine mögliche Zündquelle können mechanische Effekte mit ausreichender Temperatur sein, so dass Hochtemperaturprozesse diesbezüglich eine besondere Gefahr bergen.

Aus den zuvor genannten Gründen wird bereits deutlich, dass das Filtrieren der Fluidisationsgase von Wirbelschichten eine entscheidende Grundoperation für die Stabilität und Sicherheit des gesamten Prozesses darstellt. Um die Filterbelastung in industriellen Wirbelschichten, z.B. bei Vergasungsprozessen, während des Prozesses zu reduzieren, werden dem eigentlichen Filter häufig Aerozyklone zur Vorabscheidung vorangestellt. Mit ihnen lassen sich Abscheidegrade von bis zu 95% realisieren, wobei die minimale Partikelgröße bei ca. 10 μm liegt. Eine weitere Emissionsminderung lässt sich nur noch durch Filtrieren der Gase durch sogenannte Filterschichten bis zu einem Teilchengrößenbereich von 0,2 μm verwirklichen. Die Staubabscheidung in der bzw. auf der Filterschicht ist ein komplexer Prozess, der nicht nur von der Porengröße der Filterschicht, sondern auch von der Form, Lage und Oberfläche der Poren massiv beeinflusst wird. Die konstruktive Gestaltung des Filters, das Filtermedium mit seinem strukturellen Aufbau sowie die Wahl des Werkstoffs sind im Hinblick auf das Abscheideverhalten und die Lebensdauer, besonders bei hohen Temperaturen, von großer Bedeutung.

Neben dem bereits erwähnten Aerozyklon und Filter sind Rohrleitungsarmaturen unverzichtbare Ausrüstungen in verfahrenstechnischen Anlagen, in denen Fluide, wie im konkreten Fall hochtemperierte Gase mit Feststoffanteilen, transportiert werden. Ihre Anforderungen reichen vom Absperren und Beeinflussen der Fluidströme bis hin zur Erfüllung von Sicherheitsaufgaben, Funktionen als Stellglieder oder Regeleinrichtungen. Industriearmaturen müssen den Anforderungen des gesamten Bereichs industrieller Anlagen bezüglich der Durchsätze, der Drücke bzw. Differenzdrücke, der Temperaturen, der Medienbeständigkeit bzw. Aggressivität der Fluide entsprechen. Qualitativ hochwertige Industriearmaturen und Konstruktionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie den aktuellen Stand der Technik in konstruktiver und technologischer Entwicklung sowie aktuelle Marktanforderungen implizieren. Hier gilt es vor allem
  • strömungstechnische und festigkeitsseitige Berechnungen im frühen Entwicklungsstadium mit einzubeziehen,
  • den Werkstoffeinsatz auch hinsichtlich seiner Korrosions- und Verschleißbeständigkeit im Entwicklungsprozess zu implementieren und
  • die Nutzung progressiver Fertigungsverfahren konstruktiv zu berücksichtigen.
Bei Hochtemperaturwirbelschichtprozessen, wie zum Beispiel der Wirbelschichtvergasung, -verbrennung oder dem Fluid Catalytic Cracking, kommen Industriearmaturen mit heißen, feststoffbeladenen Gasen >450°C in Kontakt und dienen dort der Absperrung von Rohrleitungen, der Isolation von Apparaten bzw. Drosselung der Gasströme. Gerade an die Absperrarmaturen werden hohe Anforderungen bezüglich des Leckageverhaltens am Absperrelement gestellt. Neben dem Leckageverhalten wird von diesen Armaturen zusätzlich ein möglichst geringer Druckverlust in Offenstellung und eine lange Lebensdauer erwartet. Leckagen oder gar Fehlfunktionen von Armaturen bedeuten nicht selten Anlagenstillstand und daraus resultierender Produktionsausfall verbunden mit erheblichen Kosten.

Ableitend aus dem zuvor Genannten besteht das Gesamtziel des Verbundprojektes in der Entwicklung und dem Bau eines eigenen hochtemperaturbeständigen Filterprototypen für Temperaturbereiche oberhalb 450°C im Dauerbetrieb, einschließlich des dafür benötigten und geeigneten metallisch dichtenden, leckagefreien (<10-6 mbar l/s He Std) Absperrarmaturenprototypen sowie eines Versuchstandes zur Erprobung der Funktionsfähigkeit der neu entwickelten Anlagenkomponenten unter produktionsnahen Bedingungen. Die für den Erfolg einer zukünftigen Maßstabsübertragung solcher Filter entscheidende theoretische Modellierung und mathematische Beschreibung des Filterverhaltens in Bezug auf Strömungsführung, Druckverlust und Abscheidegrad sind Ziel der OvGU Magdeburg. Die dafür durch sie durchgeführten experimentellen Arbeiten dienen der Validierung der mathematischen Modelle.
 

Partner

  • Magdeburger Industriearmatur-Manufaktur GmbH (MIAM)
  • VTA Pergande GmbH
  • Dr. Weigel Anlagenbau GmbH (Dr. Weigel)
  • Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OvGU Magdeburg)
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